专利名称：填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法
技术领域：
本发明专利涉及填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法，具体涉及到光栅结构的刻蚀
技术及真空镀膜技术。
背景技术：
亚波长导模共振现象开始研究较早，但仍是近年来研究的热点物理问题。利用这种物理
现象可制作亚波长导模共振滤光片，该类滤光片和传统的薄膜滤光片相比具有以下优点(1) 极窄的带宽，理论上可以达到O.Olnm; (2)极高的反射，理论上可以达到100%; (3)很少的层 数，单层或二到三层；(4)不严格的薄膜层厚度误差。亚波长导模共振窄带滤光片以其不可 比拟的优点，吸引着越来越多的科研工作者探索其应用，如生物、传感器、光开关、束选择 器、激光器、仿伪等方面的应用研究已有报道。因此，亚波长导模共振滤光片市场需求巨大。 但国内外目前仍无成熟的该类产品出现，其原因主要是由于实际工艺条件很难制备出所设计 结构的滤光片，特别是对于填充型亚波长导模共振滤光片，光栅槽沟有填充物，由于光栅的 槽宽是纳米量级，因此一旦空气填充型光栅蚀刻完成后，再向槽沟里填充一定厚度的材料是 极其困难的，到目前为止，还未见填充型亚波长导模共振滤光片制备出的报道。为此，本发 明提供填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法。依据该方法，可以方便地制备出该类滤光 片。
发明内容
本发明公开了一种填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法，其目的在于解决在纳米量 级宽的光栅槽里填充一定厚度材料的困难，使得对结构尺寸要求苛刻的填充型亚波长导模共 振滤光片得以制备出来。
亚波长导模共振结构都包含光栅层和基底层，其中光栅层周期等于或小于光波的波长， 包含两种折射率不同的材料，分别称为槽脊(高折射率材料)和槽沟(低折射率材料)。根据 不同的光谱性能要求，光栅结构中的材料、材料的厚度、光栅的周期等参数也会发生变化。 填充型亚波长导模共振滤光片制作难点在于， 一旦空气填充型光栅蚀刻完成后，再在槽沟里 填充一定厚度的材料(厚度精确度要求在纳米量级)是极其困难的。
填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法，首先在石英基片上采用掩模光刻和反应离子
束蚀刻的方法制作初始的空气填充型亚波长光栅，然后以它为基片进行镀膜和刻蚀，其特征 在于
a) 用物理真空沉积方法镀膜，膜的材料为光栅槽里待填充的材料，膜的厚度为亚波长光 栅槽深的2倍；
b) 用反应离子束刻蚀镀膜后的滤光片，刻蚀厚度为亚波长光栅槽深的2倍。 本发明的优点和积极效果是-
1) 用镀膜的方法在光栅的空气槽里填充材料。镀膜的时候，仅仅需要控制所镀膜的厚度 等于光栅槽深的2倍，而对于光栅的槽宽参数，可以不加考虑。这种做法，大大降低了填充 的难度。
2) 本发明利用反应离子束刻蚀方法刻蚀掉镀在光栅槽槽脊上的薄膜。对于空气填充型亚 波长光栅(槽沟是空气)，反应离子束刻蚀进行时，槽脊的刻蚀速率远远大于槽沟的刻蚀速率。 随着刻蚀的进行，光栅槽深会渐渐变小直至到O。本发明巧妙利用了亚波长光栅刻蚀的这种特 点，实现了在亚波长光栅里填充一定厚度材料的目的。
图l填充型亚波长导模共振滤光片结构示意图2空气填充型亚波长光栅结构示意图3亚波长光栅镀膜后的结构示意图4蚀刻成平坦表面的镀膜亚波长光栅结构示意图。
1.填充型亚波长导模共振滤光片结构中的光栅的槽沟，2.填充型亚波长导模共振滤光 片结构中的光栅的槽脊，3.空气填充型亚波长导模共振滤光片结构中的空气槽沟，4.在空 气填充型亚波长导模共振滤光片结构上镀的膜，5.被刻蚀平坦的薄膜。
具体实施例方式
以下结合附图和实施例对本发明加以详细说明。
本实施方案的目的是制备出一个填充型亚波长导模共振滤光片，该滤光片对57.88度入 射的632.8nm的TE波有共振效果。结构如图1所示。具体参数是光栅周期266nm，占宽比
1:1，槽沟1和槽脊2分别是石英材料和氧化铪材料，槽深178nm。具体步骤如下-
(1)在石英基底上用光刻技术制作掩模，用反应离子束蚀刻技术把掩模结构转移到石英
基底上，制备出初始的空气填充型亚波长光栅。然后以它为基片进行镀膜和刻蚀，转移后得
到的光栅结构参数是周期266nm，占宽比l:l,填充型亚波长导模共振滤光片结构中的光栅
的槽沟是空气槽沟3，填充型亚波长导模共振滤光片结构中的光栅的槽脊是石英，槽深178nm。 如图2所示。
(2) 把制备好的空气填充型亚波长光栅放进镀膜机(物理电子枪蒸发沉积)，设定监控波长 558nm，坩埚里放入氧化铪材料。抽取真空室真空到5xl(TPa，开始蒸镀。待光学监控仪显示 膜的光学厚度为5个1/4参考波长时，关档板，停止蒸镀。该过程保证光栅层镀上一层物理 厚度356nm的氧化铪材料，即为在空气填充型亚波长导模共振滤光片结构上镀的膜4，如图3 所示。
(3) 把镀膜后的亚波长光栅放进反应离子束蚀刻机，选取CHF:,为蚀刻工作气体，抽取真空到 3xl(TPa时，开启离子源，离子源阳极电压90V，屏栅电压450V，耦合电压25V，气体流量4SCCM， 蚀刻速率为15nm/分钟。在蚀刻过程中，空气填充型亚波长导模共振滤光片结构上镀的膜4， 逐渐被刻蚀平坦的薄膜5;如图4所示。蚀刻时间24分钟后刻蚀厚度为亚波长光栅槽深的2 倍，停止蚀刻。
蚀刻后的亚波长光栅即为填充型亚波长导模共振滤光片，如图1所示。 通过以上具体实施方式
的描述，可以总结出本发明的技术方案.-
1. 首先使用目前制作光栅成熟的光刻技术和反应离子束蚀刻技术来制备空气填充型亚波长光 栅。制作后的空气填充型亚波长光栅如图2所示。
2. 在空气填充型亚波长光栅上镀厚度等于光栅槽深2倍的槽脊材料。镀膜后的光栅如图3所 示。
3. 用反应离子束蚀刻技术蚀刻镀膜后的光栅，随着蚀刻的进行，由于光栅槽里的材料蚀刻速 率慢于光栅槽脊，镀膜后的光栅刻槽槽深慢慢变浅，光栅表面变成平坦的薄膜。如图4所 示。
4. 继续用反应离子束蚀刻技术蚀刻，直到槽脊上总蚀刻厚度等于光栅槽深2倍，这样就得到 了如图1所示的填充型亚波长导模共振。
权利要求
1.填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法，首先在石英基片上采用掩模光刻和反应离子束蚀刻的方法制作初始的空气填充型亚波长光栅，然后以它为基片进行镀膜和刻蚀，其特征在于A)用物理真空沉积方法镀膜，膜的材料为光栅槽里待填充的材料，膜的厚度为亚波长光栅槽深的2倍；B)用反应离子束刻蚀镀膜后的滤光片，刻蚀厚度为亚波长光栅槽深的2倍。
全文摘要
填充型亚波长导模共振滤光片的制备方法，首先在石英基片上采用掩模光刻和反应离子束蚀刻的方法制作初始的空气填充型亚波长光栅，然后以它为基片进行镀膜和刻蚀，其特点是a)用物理真空沉积方法镀膜，膜的材料为光栅槽里待填充的材料，膜的厚度为亚波长光栅槽深的2倍；b)用反应离子束刻蚀镀膜后的滤光片，刻蚀厚度为亚波长光栅槽深的2倍。本发明要在纳米尺度的光栅槽内填充厚度精确到纳米量级的材料，无疑是该类滤光片中制备难度最大的一种。本发明结合镀膜技术和蚀刻技术，提供一种实际可行的刻蚀制备方法，使用该方法，可以方便地制备出填充型亚波长导模共振滤光片。
文档编号G02B5/20GK101178454SQ20071017136
公开日2008年5月14日 申请日期2007年11月29日 优先权日2007年11月29日
发明者倪争技, 庄松林, 张大伟, 黄元申 申请人:上海理工大学